CN114598163A - 一种三相lcl-dab直流变换器拓扑及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三相LCL‑DAB直流变换器拓扑及其控制方法，所述三相LCL‑DAB直流变换器，包括一次侧、二次侧和中间磁件；所述一次侧、二次侧均为三相桥式电路，中间磁件为三相高频变压器星型连接组成；一次侧三相桥式电路与三相高频变压器之间由三相LCL谐振腔电路连接；所述一次侧三相桥式电路并联输入电容C1作为输入端口，所述二次侧三相桥式电路并联输出电容C2作为输出端口。该直流变换器拓扑能显著减小电流有效值，在保留隔离、高功率密度特性的前提下，还保证了高电能转换效率和相对较低的硬件成本。

Description

一种三相LCL-DAB直流变换器拓扑及其控制方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，涉及一种三相LCL-DAB直流变换器拓扑及其控制方法。
背景技术
一直以来，高频双向隔离型直流变换器(IBDC)作为电力电子领域的研究热点一直受到广泛关注。被广泛应用在高电压变比，能量双向流动的大功率工业领域，例如电力电子变压器，多电飞机，家用电动汽车，分布式直流微电网等重要的工业应用领域。三相DAB拓扑作为IBDC中一种非常有潜力的拓扑，能够简单的实现高电压变比，高功率密度，低器件应力，开关器件的软开关等多项功能。但同时，在高电压变比的情况下，三相DAB存在着高回流功率，电流有效值过大等缺陷。
发明内容
本发明的目的在于克服现有DAB变换器高电压变比情况下电流有效值过大的技术缺陷，提出一种三相LCL-DAB直流变换器拓扑及其控制方法，该直流变换器拓扑能显著减小电流有效值，在保留隔离、高功率密度特性的前提下，还保证了高电能转换效率和相对较低的硬件成本。
本发明的目的是由以下技术方案实现的：
一种三相LCL-DAB直流变换器，包括一次侧、二次侧和中间磁件；
所述一次侧、二次侧均为三相桥式电路，中间磁件为三相高频变压器星型连接组成；一次侧三相桥式电路与三相高频变压器之间由三相LCL谐振腔电路连接；所述一次侧三相桥式电路并联输入电容C1作为输入端口，所述二次侧三相桥式电路并联输出电容C2作为输出端口。
作为本发明的进一步改进，所述三相LCL谐振腔电路的每相均与三相高频变压器的原边绕组串联；三相LCL式谐振腔采用星型连接至中性点O3，三相高频变压器采用星型连接至原边绕组中性点O1，副边绕组中性点O2。
作为本发明的进一步改进，所述一次侧三相桥式电路为六个开关管组成三相桥逆式变电路；六个开关管串联接在输入电压两端，开关管T11的源极与开关管T12的漏极相连，三相桥臂中点通过三相LCL谐振腔与变压器相连，A相桥臂中点与左侧谐振电感的一端相连，左侧谐振电感的与右侧谐振电感相连，交汇节点与谐振电容的一端相连，三相谐振电容共同连接在中性点O3上；右侧谐振电感的另一端与变压器一次侧绕组相连。
作为本发明的进一步改进，所述二次侧三相桥式电路为六个开关管组成三相桥式整流变电路。
作为本发明的进一步改进，所述一次侧、二次侧三相桥式电路均采用三相对称控制，每相桥臂的开关信号之间互差120度相位。
作为本发明的进一步改进，所述三相LCL谐振腔电路的参数满足以下关系：
Figure BDA0003585017230000021
式中，ωs为开关频率，Lr为谐振电感，Cr为谐振电容。
一种三相LCL-DAB直流变换器的控制方法，包括以下步骤：
一次侧、二次侧三相桥式电路之间的外移相角始终保持在最大移相角π/2不变，通过调制方法改变原副边桥口电压的有效值来改变功率的传输。
作为本发明的进一步改进，三相LCL-DAB的电流有效值表达式和功率表达式为：
Figure BDA0003585017230000031
其中，I1RMSn和I2RMSn分别为原边电流有效值的标幺值和副边电流有效值的标幺值；通过调节占空比变量d1和d2，三相LCL-DAB变换器在给定的传输功率条件下，对电流有效值的最小化；
根据拉格朗日乘数法可以得到，占空比变量d1和d2满足下列关系时，电流有效值能取得最小值：
d1＝d2
通过控制原副边三相桥的占空比变量的大小，减小回流功率，减小工作电流有效值的基础上，对传输的功率进行调节。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提出的三相LCL-DAB拓扑相比于传统的三相DAB变换器，一次侧、二次侧均为三相桥式电路，中间磁件为三相高频变压器星型连接组成；一次侧三相桥式电路与三相高频变压器之间由三相LCL谐振腔电路连接，通过改变拓扑结构和控制方法，能够做到单位功率因数运行，在传输相同功率的工况下，能够显著减小变换器工作时产生的回流功率，降低电流有效值，大幅改善了变换器的工作效率，适用于大功率，高电压变比的工业应用场合。在保留隔离、高功率密度特性的前提下，还保证了高电能转换效率和相对较低的硬件成本。相比较于传统的三相DAB变换器，本发明在高电压变比的工况下能够大幅降低回流功率，减小电流有效值，提高变换器的工作效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1三相LCL-DAB直流变换器拓扑；
图2三相LCL-DAB的A相等效电路；
图3电压电流相量图；
图4三相LCL-DAB变流器拓扑；
图5 LCL-DAB变换器原副边相电流波形(自上到下分别为原边侧与副边侧)；
图6传统三相DAB变换器的相电流波形。
具体实施方式
为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将结合附图及具体的实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的范围。
本发明提出一种适用于电池充电和可再生能源发电的隔离型直流变换器，包括一次侧、二次侧和中间磁件；
其一次侧，二次侧均为传统三相桥式电路，中间磁件为三相高频变压器星型连接组成，一次侧三相桥式电路与三相高频变压器之间由三相LCL谐振腔电路连接，具体结构图如图1。
变换器的一次侧开关管T11,T12,T13,T14,T15,T16组成三相桥逆式变电路，三相LCL式谐振腔Lr,Cr与三相高频变压器的原边绕组串联。并且三相LCL式谐振腔采用星型连接，中性点定义为O3点，三相高频变压器同样采用星型连接，原边绕组中性点定义为O1点，副边绕组中性点定义为O2点，在二次侧，开关管T21,T22,T23,T24,T25,T26组成三相桥式整流变电路，并联输出电容C2作为输出端口。原副边的三相桥式电路均采用三相对称控制，每相桥臂的开关信号之间互差120度相位。
本发明定义图1中的iL1a,iL1b,iL1c为原边三相相电流，图中的iL2a,iL2b,iL2c为副边三相相电流。与传统的三相DAB三相电感直接连接三相高频变压器的结构不同，本发明的原副边三相桥之间的外移相角始终保持在最大移相角π/2不变，通过调制方法改变原副边桥口电压的有效值来改变功率的传输。
本发明用三相LCL谐振腔代替三相电感，此设计是为了利用LCL的相移特性使得原副边的电压电流同相位，保证变换器做到单位功率因数为1，尽可能的减少回流功率，减小变换器运行过程中的电流有效值。
本发明提出的一种三相LCL-DAB拓扑结构，通过改变谐振腔的拓扑结构和特殊的移相占空比混合控制，实现了三相LCL-DAB变换器的单位功率因数运行。
为了深入的说明，以下给出三相LCL-DAB的等效电路图，由于三相电路的一致性，本发明的三相直流变换器可等效成三个独立的单相电路，每相电压电流波形一致，相位互差120度，为了简化分析，这里仅对A相电路为例进行分析，其余两相电路波形同理可得，A相电路的等效电路图为图2。
图2中，v1af和v2af为原副边三相桥电路的A相桥口电压，v1af和v2af之间恒定相差π/2的移相角不变，La和Ca为LCL谐振腔，iL1af为原边A相相电流，iL2af为副边A相相电流。
在这种三相LCL-DAB的新拓扑中，本发明设计LCL的参数满足下列关系：
Figure BDA0003585017230000061
式中ωs为开关频率，在确定了谐振腔的LC参数后，本拓扑的开关频率ωs也被唯一确定，在原副边三相有源桥固定相移恒定设置为π/2的情况下，本发明可以在图2等效电路的基础上作出电压电流相量图如图3。
从相量图图3可以看到，在原副边移相角恒定为π/2的情况下，原边电压相量
Figure BDA0003585017230000071
和原边电流相量
Figure BDA0003585017230000072
同相，副边电压相量
Figure BDA0003585017230000073
和副边电流相量
Figure BDA0003585017230000074
同相，从相量图中可得结论，这种三相LCL-DAB的拓扑结构能够做到单位功率因数，最大限度的减小回流功率，降低工作中的电流有效值。进而提高变换器的效率。
由于为了做到单位功率因数，三相LCL-DAB的原副边之间的外移相角恒定为π/2，这制约了三相LCL-DAB的功率调节能力，为了使得此拓扑的功率传输更加灵活，本发明在原副边三相桥电路中引入占空比变量d1,d2，其中原边三相桥每相桥臂的占空比相同，每相桥臂占空比定义为d1，副边三相桥每相桥臂的占空比相同，每相桥臂占空比定义为d2，通过对原副边三相桥的变占空比控制，本发明可以方便的实现对传输功率的灵活控制。
为了使结论具有普适性和一般性，本发明对各表达式进行标幺化处理，本发明定义功率和电流的基值如下所示：
Figure BDA0003585017230000075
通过计算，本发明能得到标幺化处理后的三相LCL-DAB的电流有效值表达式和功率表达式。
Figure BDA0003585017230000081
其中，I1RMSn和I2RMSn分别为原边电流有效值的标幺值和副边电流有效值的标幺值。通过合理的设计和调节占空比变量d1和d2，三相LCL-DAB变换器可以在给定的传输功率条件下，做到对电流有效值的最小化。本发明根据拉格朗日乘数法可以得到，占空比变量d1和d2满足下列关系时，电流有效值能取得最小值。
d1＝d2 (5)
在数字控制中，本发明仅需要控制原副边三相桥的占空比变量的大小，就能做到在大幅减小回流功率，减小工作电流有效值的基础上，对传输的功率进行灵活调节，满足各种负载情况。
以下结合具体实施例和参数验证对本发明的三相LCL-DAB直流变换器进行详细说明。
实施例
本发明给出一种三相LCL-DAB直流变换器拓扑结构如图4。
一次侧组成三相桥式逆变电路，6个开关器件T11,T12,T13,T14,T15,T16串联接在输入电压两端，即T11的源极与T12的漏极相连，T13,T14,T15,T16同样，三相桥臂中点通过三相LCL谐振腔与变压器相连，即A相桥臂中点与左侧谐振电感的一端相连，左侧谐振电感的与右侧谐振电感相连，交汇节点与谐振电容的一端相连，三相谐振电容共同连接在中性点O3上。右侧谐振电感的另一端与变压器一次侧绕组相连，其中，三相LCL谐振腔的参数一致，谐振电感定义为Lr，谐振电容定义为Cr，二次侧同样是一个三相桥式逆变电路。T21,T22,T23,T24,T25,T26构成三相桥式逆变器，直流侧并联一个大电容作为直流支撑，将三相高频变压器输出三相交流电压整流成需要输出的直流电压。其中，原副边的三相有源桥中每个桥臂的上下开关管开关信号互补，每相桥臂之间开关信号移相角为120度。同时，原副边三相有源桥之间的外移相角恒定保持在π/2不变。
一二次侧开关管的驱动信号的开关频率固定不变。开关频率固定频率ωs与三相LCL谐振腔Lr，Cr的参数有关，由下式唯一确定。在提出的新型三相LCL-DAB拓扑中，开关频率ωs需满足下述关系：
Figure BDA0003585017230000091
在满足上述条件后，提出的三相LCL-DAB拓扑能够做到单位功率因数运行，大幅减小回流功率，降低工作时刻的电流有效值。但由于三相LCL-DAB的原副边之间的外移相角恒定为90度，制约了三相LCL-DAB的功率传输，本发明在原副边三相有源桥中引入占空比变量，通过对原副边三相桥占空比的合理调节，就能做到在给定功率条件下，显著减小工作电流的有效值，提升变换器效率。
为了量化提出的三相LCL-DAB直流变换器的优越性，本发明将同一传输功率条件下，电路参数相同的传统三相DAB拓扑的工作电流有效值和提出的三相LCL-DAB拓扑进行比较。变换器参数如表1所示：
表1变换器具体参数
Figure BDA0003585017230000092
Figure BDA0003585017230000101
通过MATLAB/Simulink分别对三相LCL-DAB和三相DAB变换器进行仿真，比较其在电压变比0.6的情况下工作电流有效值随着传输功率变化的关系。如下图5所示，图5 LCL-DAB变换器原副边相电流波形(自上到下分别为原边侧与副边侧)。
图5中，ia1LCL,ib1LCL,ic1LCL和ia2LCL,ib2LCL,ic2LCL分别为三相LCL-DAB变换器的原边电流和副边电流，从图中可以看到，在输入电压1000V，输出电压300V，传输功率为4.5kW，电压变比为0.3的工况下，本发明提出的三相LCL-DAB变换器的三相电流波形对称，三相电流有效值相等。其中电流有效值经计算可得原边电流的有效值I1RMS＝12.84A，副边电流的有效值I2RMS＝19.93A。同理，本发明列出同等工况下传统三相DAB的电流波形，如图6所示。
图6中，ia3ph,ib3ph,ic3ph代表传统三相DAB三相的相电流波形。从图中可以看到，在输入电压1000V，输出电压300V，，传输功率为4.5kW，电压变比为0.3的工况下，传统的三相DAB的三相电流波形对称，三相电流有效值相等。其中电流有效值经计算可得每相电流有效值I3phRMS＝23.37A，通过图5和图6的对比，本发明可以清晰的看到，虽然本发明提出的三相LCL-DAB变换器的副边电流的有效值略微小于传统三相DAB的相电流有效值，但是原边电流有效值能够大幅减小到传统三相DAB的大约一半。从而大幅减小原边电路的工作损耗，大幅提高变换器的整体工作效率。也可以得出本发明是一种能显著减小电流有效值的新型三相LCL双有源桥直流变换器，在保留隔离、高功率密度特性的前提下，还保证了高电能转换效率和相对较低的硬件成本。
以上，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方案进行修改或者等同替换，而这些并未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种三相LCL-DAB直流变换器，其特征在于，包括一次侧、二次侧和中间磁件；
所述一次侧、二次侧均为三相桥式电路，中间磁件为三相高频变压器星型连接组成；一次侧三相桥式电路与三相高频变压器之间由三相LCL谐振腔电路连接；所述一次侧三相桥式电路并联输入电容C1作为输入端口，所述二次侧三相桥式电路并联输出电容C2作为输出端口。
2.根据权利要求1所述的一种三相LCL-DAB直流变换器，其特征在于，
所述三相LCL谐振腔电路的每相均与三相高频变压器的原边绕组串联；三相LCL式谐振腔采用星型连接至中性点O3，三相高频变压器采用星型连接至原边绕组中性点O1，副边绕组中性点O2。
3.根据权利要求2所述的一种三相LCL-DAB直流变换器，其特征在于，
所述一次侧三相桥式电路为六个开关管组成三相桥逆式变电路；六个开关管串联接在输入电压两端，开关管T11的源极与开关管T12的漏极相连，三相桥臂中点通过三相LCL谐振腔与变压器相连，A相桥臂中点与左侧谐振电感的一端相连，左侧谐振电感的与右侧谐振电感相连，交汇节点与谐振电容的一端相连，三相谐振电容共同连接在中性点O3上；右侧谐振电感的另一端与变压器一次侧绕组相连。
4.根据权利要求1所述的一种三相LCL-DAB直流变换器，其特征在于，
所述二次侧三相桥式电路为六个开关管组成三相桥式整流变电路。
5.根据权利要求1所述的一种三相LCL-DAB直流变换器，其特征在于，
所述一次侧、二次侧三相桥式电路均采用三相对称控制，每相桥臂的开关信号之间互差120度相位。
6.根据权利要求1所述的一种三相LCL-DAB直流变换器，其特征在于，
所述三相LCL谐振腔电路的参数满足以下关系：
Figure FDA0003585017220000021
式中，ωs为开关频率，Lr为谐振电感，Cr为谐振电容。
7.权利要求1至6任一项所述的三相LCL-DAB直流变换器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
一次侧、二次侧三相桥式电路之间的外移相角始终保持在最大移相角π/2不变，通过调制方法改变原副边桥口电压的有效值来改变功率的传输。
8.根据权利要求7所述的一种三相LCL-DAB直流变换器的控制方法，，其特征在于，
三相LCL-DAB的电流有效值表达式和功率表达式为：
Figure FDA0003585017220000022
其中，I1RMSn和I2RMSn分别为原边电流有效值的标幺值和副边电流有效值的标幺值；通过调节占空比变量d1和d2，三相LCL-DAB变换器在给定的传输功率条件下，对电流有效值的最小化；
根据拉格朗日乘数法可以得到，占空比变量d1和d2满足下列关系时，电流有效值能取得最小值：
d1＝d2
通过控制原副边三相桥的占空比变量的大小，减小回流功率，减小工作电流有效值的基础上，对传输的功率进行调节。
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